(57)【要約】【課題】無負荷損失が少なく、エネルギー消費効率に優れたスコット結線変圧器を提供する。【解決手段】スコット結線変圧器１の鉄心として、それぞれ電磁鋼板の薄板が多重に巻回された２つの内鉄心８６および８７と１つの外鉄心８８で構成された巻鉄心８ｂを用いる。巻鉄心８ｂは、外鉄心８８の中空部に同一形状の２つの内鉄心８６および８７が並置されたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心に設けられた２つの側脚部のうち一方の側脚部に主座の一次巻線と二次巻線が巻装され、他方の側脚部にＴ座の一次巻線と二次巻線が巻装され、さらに前記主座の一次巻線の中点と前記Ｔ座の一次巻線の一方の端が接続され、前記主座の一次巻線の両端および前記Ｔ座の一次巻線の他方の端に三相交流が印加されるスコット結線変圧器であって、
前記鉄心は、それぞれ磁性材料で作製された薄板が多重に巻回された２つの内鉄心と１つの外鉄心で構成され、前記外鉄心の中空部に同一形状の前記２つの内鉄心が並置されていることを特徴とするスコット結線変圧器。
【請求項２】
前記側脚部の幅をＷとしたとき、前記第１および第２の内鉄心の幅は√２／２Ｗであり、また前記外鉄心の幅は（１−√２／２）Ｗであることを特徴とする、請求項１に記載のスコット結線変圧器。
【請求項３】
前記磁性材料で作製された薄板としてアモルファス磁性薄板を用いることを特徴とする、請求項１または２に記載のスコット結線変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相の交流電力を単相の交流電力に変換する際に用いられるスコット結線変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電源として、単相の交流電力を供給するものと三相の交流電力を供給するものとがある。単相の交流電力は一般家庭などで電気製品を動かすために用いられ、三相の交流電力は工場等で三相のモータ等の動力源として用いられる。
【０００３】
一方、三相の交流電力だけが利用可能な所で、単相の交流電力を必要とする場合がある。具体的には、三相３線式の電源から大容量の単相負荷（例えば、単相電気炉や単相交流電車）に給電したい場合などである。
【０００４】
このような場合には、スコット結線変圧器を用いて三相の交流電力を単相の交流電力に変換することが一般的である（例えば、特許文献１参照）。以下、図３を参照して、スコット結線変圧器を用いて三相の交流電力を単相の交流電力に変換する方法について説明する。
【０００５】
図３に、スコット結線変圧器の結線図の一例を示す。スコット結線変圧器１は主座変圧器２とＴ座変圧器３とで構成されている。主座変圧器２は、鉄心８に一次巻線４と二次巻線５が巻装され、Ｔ座変圧器３は、鉄心８に一次巻線６と二次巻線７が巻装されている。
【０００６】
主座変圧器２の一次巻線４と二次巻線５は鉄心８を介して互いに磁気的に結合されている。また、一次巻線４の両端は端子ＵとＷに接続され、二次巻線５の両端は端子ｕ１とｏｕに接続されている。
【０００７】
同様に、Ｔ座変圧器３の一次巻線６と二次巻線７は鉄心８を介して互いに磁気的に結合されている。また一次巻線６の一方の端は、主座変圧器２の一次巻線４の中点に接続され、他方の端は端子Ｖに接続されている。二次巻線７の両端は端子ｏｖとｖ１に接続されている。
【０００８】
図３に示したスコット結線変圧器において、主座変圧器２の一次巻線４の端子Ｕ、ＷとＴ座変圧器３の端子Ｖとをそれぞれ三相の交流電源に接続すると、主座変圧器２の二次巻線５の両端の端子ｕ１とｏｕ、およびＴ座変圧器３の二次巻線７の両端の端子ｏｖとｖ１から二相の単相交流電力が得られる。
【０００９】
次に、図４を参照して、鉄心に積鉄心を採用した従来のスコット結線変圧器（例えば、特許文献２参照）の構造を説明する。積鉄心８ａは、電磁鋼板の薄板を紙面と垂直な方向に積層したもので、上下の継鉄部８１および８２、左右の側脚部８３および８４、ならびに中央脚部８５で構成され、中央脚部８５と左右の側脚部８３および８４との間に巻線を挿入する長方形状の中空部が形成されている。
【００１０】
紙面に向かって左側の側脚部８３に主座一次巻線４と主座二次巻線５が巻装されて主座変圧器２が構成され、右側の側脚部８４にＴ座一次巻線６とＴ座二次巻線７が巻装されてＴ座変圧器３が構成されている。図４には示されていないが、それぞれの巻線から線が引き出され、図３の各端子に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開開平８−３３５５２０号公報
【特許文献２】特開２００４−８８８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に、変圧器の損失は無負荷損失と負荷損失に分けられる。このうち負荷損失は、変圧器の巻線の抵抗（Ｒ）と機器に流れる負荷電流（Ｉ）よりＩ2Ｒで求められ、負荷の大きさにより損失が変化する。
【００１３】
これに対し、無負荷損失は、変圧器の入力側に電圧が印加された場合に発生する損失で、一般的な待機電源の損失と同様に負荷の大きさに関係しない。変圧器は電力を供給する側の機器であり、一次入力が遮断されることが少ないため、常時、無負荷損失が発生している。
【００１４】
近年、電気製品に対する省エネの要請が高まっており、変圧器もその例外ではない。しかし、図４に示したような積鉄心を用いた従来のスコット結線変圧器は無負荷損失が大きく、エネルギー消費効率が悪いために、省エネの要請に十分応えることができていない。
【００１５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、省エネの要請に十分応えることができるスコット結線変圧器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため本発明にかかるスコット結線変圧器は、鉄心に設けられた２つの側脚部のうち一方の側脚部に主座の一次巻線と二次巻線が巻装され、他方の側脚部にＴ座の一次巻線と二次巻線が巻装され、さらに前記主座の一次巻線の中点と前記Ｔ座の一次巻線の一方の端が接続され、前記主座の一次巻線の両端および前記Ｔ座の一次巻線の他方の端に三相交流が印加されるスコット結線変圧器であって、
前記鉄心は、それぞれ磁性材料で作製された薄板が多重に巻回された２つの内鉄心と１つの外鉄心で構成され、前記外鉄心の中空部に同一形状の前記２つの内鉄心が並置されていることを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記側脚部の幅をＷとしたとき、前記第１および第２の内鉄心の幅は√２／２Ｗであり、また前記外鉄心の幅は（１−√２／２）Ｗであることが好ましい。また前記磁性材料で作製された薄板としてアモルファス磁性薄板を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかるスコット結線変圧器は、巻鉄心を使用することで無負荷損失を大幅に減少させ、結果として、エネルギー消費効率を改善することによって省エネを実現している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態にかかるスコット結線変圧器の構成を示す正面図である。
【図２】本実施の形態にかかるスコット結線変圧器の鉄心（Ａ）と従来のスコット結線変圧器の鉄心（Ｂ）の外観を示す斜視図である。
【図３】スコット結線変圧器の結線図である。
【図４】従来のスコット結線変圧器の構成を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態にかかるスコット結線変圧器について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
＜スコット結線変圧器の構成＞
図１に、本実施の形態にかかるスコット結線変圧器１の外観を示す。本実施の形態にかかるスコット結線変圧器１は、鉄心に巻鉄心８ｂを採用している。巻鉄心８ｂは、同一形状の第１および第２の内鉄心８６および８７と、外鉄心８８で構成されている。
【００２２】
内鉄心８６および８７は、磁性材料で作製された薄板（本実施の形態では電磁鋼板の薄板）を、内側に長方形の中空部が形成されるように多重の巻回したものであり、外鉄心８８は、内側の中空部に２個の内鉄心８６および８７が並置できるように、電磁鋼板の薄板を方形状に多重に巻回したものである。
【００２３】
紙面に向かって左側に位置する第１の内鉄心８６と外鉄心８８に主座一次巻線４と主座二次巻線５（図３参照）が巻装されて主座変圧器２が構成され、右側に位置する第２の内鉄心８７と外鉄心８８にＴ座一次巻線６とＴ座二次巻線７（図３参照）が巻装されてＴ座変圧器３が構成されている。また図１には示されていないが、それぞれの巻線から線が引き出され、図３の各端子に接続されている。
【００２４】
＜鉄心の種類による特性の比較＞
次に、スコット結線変圧器１の鉄心に本発明の巻鉄心８ｂを用いた場合と、従来の積鉄心８ａ（図４参照）を用いた場合の特性上の差異について説明する。図２（Ａ）に、本実施の形態にかかるスコット結線変圧器の巻鉄心８ｂの斜視図を、また図２（Ｂ）に従来のスコット結線変圧器の積鉄心８ａの斜視図を示す。図中、Ｗ１〜Ｗ６は幅、Ｈ１、Ｈ２は高さ、Ｄ１は奥行きを示している。
【００２５】
最初に、本発明において図２（Ａ）に示す構成の巻鉄心を採用するに至った理由を説明する。同一容積の鉄心の場合、積鉄心より巻鉄心の方が、無負荷損失が少ないことが知られている。また、鉄心の外側には磁束の流れが生じ難いことから、積鉄心を用いた場合、コーナー部の鉄心が無駄になる。これに対し、巻鉄心を用いた場合には、コーナー部が円弧状に形成されていることから、積鉄心と比較して無駄となる鉄心部分が少ない。主としてこれらの理由から、発明者等はスコット結線変圧器の鉄心に巻鉄心を採用できないか検討した。
【００２６】
スコット結線変圧器では、鉄心の左右の側脚部にコイルが巻装されるため、当初、図２（Ａ）に示す内鉄心８６と同様の形状の鉄心を２つ並置して巻鉄心を構成することを考えた。このような構造を採用した場合、中央脚部８５の幅（積層された薄板の厚み）Ｗ２は側脚部８６の幅Ｗ５の２倍となる。
【００２７】
一方、図２（Ｂ）に示す構成の積鉄心を採用したスコット結線変圧器では、中央脚部８５を通過する磁束密度の観点より、中央脚部８５の幅Ｗ２を側脚部８３（または８４）の幅Ｗ１の√２倍としたときに変圧器の効率が最大となり、鉄心の量を節減できることが知られている。しかし、巻鉄心として上述した内鉄心８６と同様の形状の鉄心を２つ並置する構造を採用した場合、必然的に、中央脚部８５の幅Ｗ２は側脚部８６の幅Ｗ５の２倍となるため、使用する電磁鋼板に無駄が生じる。
【００２８】
そこで、発明者等は巻鉄心８ｂとして、図２（Ａ）に示すような、並置された２つの内鉄心８６および８７を外鉄心８８で取り囲む構成について検討した。この構成の場合、側脚部８３、８４の幅Ｗ１に対し、内鉄心８６および８７の幅Ｗ５を√２／２×Ｗ１とし、また外鉄心８８の幅Ｗ６を（１−√２／２）×Ｗ１に設定すれば、中央脚部８５の幅Ｗ２は側脚部８３の幅Ｗ１（＝Ｗ５＋Ｗ６）の√２倍となるため、電磁鋼板に無駄が生じるのを避けることができる。
【００２９】
なお、上述した内鉄心８６および８７の幅Ｗ５と外鉄心８８の幅Ｗ６は最適値であり、この値が多少増減しても変圧器の効率は緩やかに低下するため、実用上問題はない。従って、採用可能な幅Ｗ５とＷ６は一定の幅を持った値である。
【００３０】
次に、図２を参照して、巻鉄心８ｂを採用した場合と積鉄心８ａを採用した場合の無負荷損失の相違について説明する。図２では、前提として、巻鉄心８ｂと積鉄心８ａの容積を同じに設定している。すなわち、巻鉄心８ｂと積鉄心８ａの幅Ｗ４、高さＨ１および奥行きＤ１を同一にしている。また、内鉄心８６および８７の中空部の形状および容積（Ｗ３×Ｈ２×Ｄ１）を同一にしている。
【００３１】
図２に示す寸法の巻鉄心８ｂと積鉄心８ａを、同じ材質の電磁鋼板を用いて作製し、更に、左右の側脚部８３および８４に一次巻線および二次巻線を同一の回数巻装して（磁束密度１．４９Ｔ）スコット結線変圧器１を構成する。
【００３２】
電磁鋼板として比重７．６５、占積率０．９６の薄板を用い、下記（１）および（２）に示す寸法の鉄心を作製した場合、巻鉄心８ｂの重量は１１７．５ｋｇ、積鉄心８ａの重量は１３６．３ｋｇとなる。無負荷損失は同一の条件であれば、用いる電磁鋼板の重量が少ない程少なくなるため、巻鉄心８ｂの無負荷損失は積鉄心８ａのそれに比較して約２４％少なくなる。
（１）巻鉄心８ｂ：Ｗ１＝Ｗ５＋Ｗ６＝７５ｍｍ、Ｗ５＝５３ｍｍ、Ｗ６＝２２ｍｍ、Ｗ２＝１０６ｍｍ、Ｗ４＝３５６ｍｍ、Ｈ１＝４００ｍｍ、Ｈ２＝２５０ｍｍ、Ｄ１＝１５８ｍｍ
（２）積鉄心８ａ：Ｗ１＝７５ｍｍ、Ｗ２＝１０６ｍｍ、Ｗ４＝３５６ｍｍ、Ｈ１＝４００ｍｍ、Ｈ２＝２５０ｍｍ、Ｄ１＝１５８ｍｍ
【００３３】
また積鉄心８ａを用いた場合、図２（Ｂ）に示すように、形状の異なる４種類、計６枚の短冊状の電磁鋼板を組み合わせて１枚の薄板を形成している。このため、主座変圧器２およびＴ座変圧器３のそれぞれについて鉄心の継ぎ目が４箇所生じ、継ぎ目で磁束の流れが乱れ、それにより生じる抵抗によって無負荷損失が増加する。
【００３４】
このための対策として従来の変圧器では、隣接する電磁鋼板において継ぎ目が生じる箇所をずらすことにより、磁束の流れが妨げられるのを防止している。しかし、このような手法を採用した場合、短冊状の電磁鋼板の寸法を変える必要があるため、切断の工程や配列の工程が複雑となり、変圧器の製造コストをアップさせることになる。
【００３５】
一方、巻鉄心８ｂを用いた場合には、短冊状に切断された電磁鋼板を曲げ、それらを重ね合わせることにより巻鉄心を作製することから、それぞれの薄板の継ぎ目は１箇所であり、本来的に磁束の損失が少ない。結果として、巻鉄心８ｂは継ぎ目により生じる無負荷損失が積鉄心８ａのそれに比較して５０％以下になる。
【００３６】
上述の各寸法の巻鉄心８ｂおよび積鉄心８ａについて無負荷損失を測定したところ、巻鉄心８ｂでは１４０Ｗ、積鉄心８ａでは１７５Ｗであった。すなわち、巻鉄心８ｂの無負荷損失は積鉄心８ａのそれの８０％となった。この結果より、本発明の巻鉄心８ｂを用いれば、エネルギー消費効率の高いスコット結線変圧器を実現できることがわかる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、電磁鋼板を用いてスコット結線変圧器を作製したが、電磁鋼板の代わりに鉄系アモルファス磁性材料で作製された薄板（以降、「アモルファス磁性薄板」という）を用いてスコット結線変圧器を作製してもよい。アモルファス磁性薄板は、電磁鋼板に比較して無負荷損失が２０％程度と低いため、待機電力の大幅な削減が可能となる。
【００３８】
更に、アモルファス磁性薄板は電磁鋼鈑の薄板に比較して薄く、柔軟性に優れている。巻鉄心を作製する際には、短冊状の磁性薄板を両端部が重ね合わされた状態で巻回し、その動作を繰り返すだけであるため、鉄心の製造工程が簡素化され、組立時間も短縮される。また、電磁鋼板を用いた場合と異なり継ぎ目が生じず、重ね合わされた部分の厚さを調節するために隣接する薄板の接合位置を若干ずらす程度で済むため、製造コストを抑えることができる。
【００３９】
参考として、図２（Ａ）に示す形状の巻鉄心８ｂを、アモルファス磁性薄板を用いて作製した容量３０ｋＶＡのスコット結線変圧器と、図２（Ｂ）に示す形状の積鉄心８ａを、電磁鋼板を用いて作製した同容量のスコット結線変圧器について、５０Ｈｚ、負荷率４０％のときの電気的特性をそれぞれ測定した。
【００４０】
アモルファス磁性薄板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失３２．４Ｗ、負荷損失１１９Ｗ、全損失１５１．４Ｗ、効率９８．８％であった。これに対し、電磁鋼板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失１７５Ｗ、負荷損失１０９Ｗ、全損失２８４．０Ｗ、効率９７．７％であった。なお、「効率」は、変圧器の有効出力と（有効出力＋全損失）の比をパーセントで表したものである。
【００４１】
同様に負荷率１００％において、アモルファス磁性薄板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失３２．４Ｗ、負荷損失７４２Ｗ、全損失７７４．４Ｗ、効率９７．５％であった。これに対し、電磁鋼板を用いたスコット結線変圧器では、無負荷損失１７５.０Ｗ、負荷損失６８０.０Ｗ、全損失８５５．０Ｗ、効率９７．２％であった。
【００４２】
上述の結果を見ても、巻鉄心を用いた本発明のスコット結線変圧器は、積鉄心を用いた従来のスコット結線変圧器に比べて無負荷損失が少なく、高い効率を実現していることがわかる。
【符号の説明】
【００４３】
１  スコット結線変圧器
２  主座変圧器
３  Ｔ座変圧器
４  主座一次巻線
５  主座一次巻線
６  Ｔ座一次巻線
７  Ｔ座二次巻線
８、８ｂ  鉄心
８３、８４  側脚部
８５  中央脚部
８６、８７  内鉄心
８８  外鉄心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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